Tải bản đầy đủ

Tình trạng ăn mòn bê tông cốt thép và giải pháp chống ăn mòn cho công trình bê tông cốt thép trong môi trường biển Việt Nam

TÌNH TRẠNG ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ GIẢI
PHÁP CHỐNG ĂN MÒN CHO CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT
THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM
TS. Đồng Kim Hạnh, Ths. Dương Thị Thanh Hiền
Bộ môn Công nghệ & QLXD, Đại học Thuỷ lợi
Tóm tắt: Ăn mòn cốt thép là nguyên nhân phổ biến làm hư hỏng kết cấu BTCT trong
môi trường biển. Bài viết tóm tắt những nghiên cứu về nguyên nhân, thực trạng ăn mòn
và phá huỷ BTCT dưới tác động của nước biển. Trên cơ sở những kết quả đó bài viết đề
xuất một số biện pháp sửa chữa nhằm nâng cao độ bền cho công trình BTCT trong vùng
biển Việt Nam.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong môi trường xâm thực vùng biển, hiện tượng ăn mòn cốt thép và bê tông dẫn đến
làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tông và BTCT, làm bê tông bị hư hỏng sớm, không đảm
bảo tuổi thọ công trình. Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực
của môi trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khả năng
chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công và
biện pháp quản lý, sử dụng công trình...). Quan điểm chung về chống ăn mòn cho kết cấu bê
tông & BTCT là: bảo vệ bê tông, lấy bê tông bảo vệ cốt thép. Vì vậy cần thiết phải làm rõ
thực trạng và tìm các giải pháp bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu bê tông cốt thép phù hợp
với điều kiện đặc thù Việt Nam.

II. TÌNH TRẠNG ĂN MÒN BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở VÙNG BIỂN VIỆT NAM

Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3200 km từ 8037’ đến 21032’ Bắc. Sau năm 1960
số lượng các công trình làm việc trong môi trường biển tăng đáng kể. Theo kết quả khảo
sát của các cơ quan nghiên cứu trong nước như Viện KHCN xây dựng, viện KH vật liệu,
viện KH thuỷ lợi, viện KHCN giao thông vận tải, trường ĐH bách khoa Đà Nẵng, … thì
tình trạng suy giảm tuổi thọ công trình bê tông và BTCT làm việc trong môi trường biển
đáng để quan tâm. Thực tế có hơn 50% bộ phận kết cấu bê tông và BTCT bị ăn mòn, hư
hỏng nặng hoặc bị phá huỷ chỉ sau từ 10-30 năm sử dụng. Hầu hết các kết cấu này trong
quá trình làm việc đều tiếp xúc với môi trường không khí và nước biển. Giữa vật liệu và
môi trường luôn xảy ra các tác động qua lại và bản thân bê tông luôn thay đổi trạng thái
cấu trúc.
Tác động xâm thực của môi trường biển tới độ bền công trình bê tông và BTCT chủ
yếu do các quá trình sau:
- Quá trình cácbonát hoá làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ
màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép dẫn đến
phá huỷ kết cấu.
- Quá trình thấm ion SO42- vào bê tông, tương tác với các sản phẩm thuỷ hoá của xi
măng tạo ra khoáng Ettringit trương nở thể tích gây phá huỷ kết cấu (Ăn mòn sunfát)
- Quá trình khuếch tán ôxy, ion Cl- và hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện nhiệt độ không


khí cao
- Quá trình ăn mòn vi sinh vật, ăn mòn cơ học do sóng, ăn mòn rửa trôi.
Căn cứ theo tính chất xâm thực và mức độ tác động của môi trường biển lên kết cấu bê
tông và BTCT có thể phân làm ba vùng như sau:
- Vùng hoàn toàn ngập nước
- Vùng nước lên xuống và sóng đánh
- Vùng khí quyển trên biển và ven biển, gồm các tiểu vùng :
. Sát mép nước: 0- 0,25km
. Ven bờ: 0,25 - 1km
. Gần bờ: 1- 20km
Có thể phân loại mức độ xâm thực tại các vùng như bảng 2.1
Bảng 2.1 Mức độ xâm thực tại các vùng
T
T

Mức độ xâm thực của môi trường đối với kết
cấu


Môi trường

Bê tông

Bê tông cốt thép

-

trung bình

nhẹ

mạnh

trung bình

mạnh

1

Vùng khí quyển gần bờ

2

Vùng ven bờ

3

Vùng sát mép nước

4

Vùng nước lên xuống và sóng đánh

mạnh

rất mạnh

5

Vùng ngập nước biển

mạnh

mạnh

2.1 Vùng hoàn toàn ngập nước
Theo tài liệu “Ăn mòn khí quyển đối với bê tông và BTCT vùng ven biển Việt Nam”
của Viện khí tượng thì nước biển Việt Nam có thành phần hoá học, độ mặn và tính xâm
thực tương đương với các vùng biển khác trên thế giới. Riêng vùng gần bờ, do ảnh hưởng
của các sông chảy ra biển nên khác chút ít. Kết quả phân tích như trong bảng 1.2
Bảng 2.2 Thành phần nước biển Việt Nam và thế giới
Chỉ tiêu

Đơn vị

Vùng biển
Hòn gai

Vùng biển
Hải phòng

Biển Bắc Mỹ

Biển Bantíc

pH

-

7,8 - 8,4

7,5 - 8,3

7,5

8,0

Cl-

g/l

6,5 - 18,0

9,0 - 18,0

18,0

19,0

Na+

g/l

-

-

12,0

10,5

SO42-

g/l

1,4 - 2,5

0,002 - 2,2

2,6

2,6

Mg2+

g/l

0,2 - 1,2

0,002 - 1,1

1,4

1,3


Các công trình bê tông và BTCT trong các vùng biển này chịu tác động của nước biển
với lượng muối hoà tan khá lớn, hàm lượng SO42- vượt quá tiêu chuẩn. Hiện tượng ăn
mòn hoá lý sẽ xảy ra, các ion SO42- sẽ phản ứng với các sản phẩm hydrát hóa bê tông tạo
ra hợp chất khó hoà tan. Khi nồng độ SO42- lớn sẽ tạo ra muối CaSO4.2H2O. Sản phẩm
tạo ra có thể tích gấp 2,86 lần gây ứng suất phá vỡ bê tông.
Bảng 2.3 Độ mặn nước biển tầng mặt trong vùng biển Việt nam, %
Tháng
Trạm

Mùa đông

Trung bình
năm

Mùa hè

XII

I

II

VI

VII

VIII

Cửa Ông

29,2

30,0

30,4

25,3

23,4

21,3

26,6

Hòn gai

30,8

31,5

31,6

31,2

30,8

29,3

30,9

Hòn Dấu

26,3

28,1

28,1

17,1

11,9

10,9

21,2

Văn Lý

25,9

18,3

29,5

25,4

20,1

19,0

24,4

Cửa Tùng

22,8

27,2

29,3

31,8

31,3

31,7

17,4

Sơn Trà

8,7

17,6

22,8

-

21,2

26,9

-

Vũng tàu

30,4

33,1

34,7

29,8

29,8

27,6

30,1

Bạch long vĩ

32,7

33,3

33,6

33,5

32,6

32,0

33,0

Trường sa

32,9

33,1

33,0

33,4

33,0

32,8

33,1

Hình 2.1 Ăn mòn bê tông cống Vàm Đồn - Bến Tre


Hình 2.2 Ăn mòn bê tông cống A1 - TP Hồ Chí Minh
2.2 Vùng nước lên xuống và sóng đánh
Cùng với quá trình ăn mòn hoá học, điện hoá thì trên bề mặt các kết cấu bê tông và
BTCT còn bị bào mòn cơ học do áp lực sóng, đặc biệt là sóng có cường độ mạnh do gió
bão gây ra. Trên bề mặt kết cấu, quá trình khô ướt xảy ra thường xuyên làm tăng nhanh
quá trình tích tụ ion Cl-, O2-. Nước biển cũng thâm nhập vào bê tông thông qua quá trình
khuyếch tán và lực hút mao quản. Khảo sát kết cấu bên trong công trình khi đục kiểm tra
tại các vết nứt thấy cốt thép bị gỉ rất nặng, mặt cắt ngang cốt thép có thể giảm từ 40% đến
60%, cốt thép đai nằm bên ngoài thường bị gỉ nặng hơn và đứt nhiều. Kiểm tra điện thế
ăn mòn bằng máy đo điện thế CANIN thì thấy: điện thế đạt -900 mV, chứng tỏ cốt thép bị
ăn mòn rất mạnh. Khi sử dụng phương pháp điện cực so sánh Ag/AgCl. Kết quả đo đạc
được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn ASTM C 876 và giản đồ E-pH của hệ Fe-H2O như
bảng 2.4.
Khi kiểm tra thành phần hoá học của bê tông theo chiều từ ngoài vào trong thì thấy:
tại vị trí xuất hiện vết nứt, cách mép vết nứt từ 15-20 cm, miền bê tông cận cốt thép độ
pH thường có giá trị nhỏ hơn 11,6; hàm lượng ion Cl- rất cao, thường nằm trong khoảng
(1,513,5) kg/m3 bê tông, hàm lượng SO42- nhỏ hơn 4% khối lượng xi măng.
Bảng 2.4 Kết quả đo đạc điện thế ăn mòn cốt thép và khả năng ăn mòn tại các công
trình
Điện thế so với
điện thế Ag/AgCl

Khả năng ăn
mòn cốt thép

Phương phá đánh giá

Cảng Tiên Sa

-436 đến -516

 95%

ASTM C876

Cảng Thuận Phước

-409 đến -450

 90%

ASTM C876

Cảng Liên Chiểu

-320 đến -460

 90%

ASTM C876

Cảng Nguyễn Văn Trỗi

-306 đến -325

 90%

Giản đồ E-pH hệ Fe-H2O

Công trình

2.3 Vùng khí quyển trên biển và ven biển


Tại mặt ngoài, hiện tượng ăn mòn và phá huỷ kết cấu thường xảy ra mạnh với những
vị trí trực diện với gió biển hoặc thường xuyên hứng chịu mưa gió và khí hậu khô ẩm.
Dạng ăn mòn thường gặp là trên bề mặt lớp bê tông bảo vệ xuất hiện các vết nứt có bề
rộng trung bình từ (525) mm chạy dọc theo các thanh thép chịu lực. Với kết cấu dạng
bản, sàn thường bị bong tách thành từng mảng lớn lớp bê tông bảo vệ, cốt thép lộ ra ngoài
và bị gỉ rất nặng.
Phía bên trong kết cấu, khi đục mở rộng các vết nứt thì thấy cốt thép bị gỉ nặng,
thiết diện giảm từ (2060)%, nhiều thanh bị đứt rời hẳn, nhất là thép đai. Khi kiểm tra
khả năng chịu tải theo tiêu chuẩn Việt Nam có tính đến độ suy giảm thiết diện bê tông cốt
thép do ăn mòn thì thấy nhiều kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực.

Hình 2.3 Ăn mòn cốt thép dàn van cống sau 22 năm - Nam Định
III. GIẢI PHÁP CHỐNG ĂN MÒN, NÂNG CAO ĐỘ BỀN CÔNG TRÌNH BÊ TÔNG
VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN VIỆT NAM

3.1. Đề xuất giải pháp
Tiêu chuẩn TCXDVN 327: 2004 đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuật về thiết kế, lựa chọn
vật liệu, thi công nhằm đảm bảo khả năng chống ăn mòn cho kết cấu bê tông và BTCT.
Tiêu chuẩn TCVN 4453-1995 được áp dụng cho các công trình bê tông và BTCT xây
dựng trong môi trường biển. Trong quá trình sửa chữa không làm được kết cấu BTCT
hoặc chiều dày lớp bảo vệ tương đương như yêu cầu, có thể áp dụng các biện pháp chống
thấm bổ sung như sau:
1. Trát vữa chống thấm: Vữa xi măng có pha nhũ tương pôlime M250 ¸ 300.
2. Sơn chống ăn mòn cốt thép: Sơn xi măng, sơn ximăng- pôlime, sơn hoá chất
cao phân tử, các loại sơn này phải đảm bảo khả năng dính kết giữa cốt thép được sơn với
bê tông.
3. Sơn phủ mặt ngoài kết cấu: Dùng các loại sơn epoxy và các hợp chất cao phân
tử có độ dính kết cao với bê tông và đàn hồi tốt.
4. Sử dụng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit
5. Sử dụng vật liệu composit thay thế cho bê tông thông thường.


Các biện pháp sửa chữa thông thường (từ 1 đến 4) đã và đang được áp dụng tại các
vùng biển Việt Nam. Tuy nhiên, sử dụng vật liệu mới composit là một hướng mới trong
quy trình sửa chữa. Bê tông cốt sợi phân tán đã được ứng dụng rộng rãi để sửa chữa, gia
cố bề mặt cho các công trình BTCT trên thế giới khoảng 40 năm nay nhưng ở Việt Nam
gần như chưa được ứng dụng trong thực tế, chủ yếu là do chưa nghiên cứu ứng dụng vật
liệu composit một cách đầy đủ trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
3.2 Nội dung đã nghiên cứu
Dựa vào đặc tính kỹ thuật và khả năng dùng bê tông có cốt để sửa chữa công trình, tác
giả đề xuất nghiên cứu việc sử dụng bê tông cốt sợi phân tán (sợi thép và sợi
polypropylen) trong quá trình sửa chữa thông qua một số đặc tính kỹ thuật đã được
nghiên cứu:
Bảng 3.1 Tương quan giữa lỗ rỗng và tính thấm nước của bê tông cốt sợi
Đường % sợi trong Chiều dày
kính sợi hỗn hợp о, thấm cácbon
d, мм
của mẫu thử
%
sau 28 ngày

Loại bê tông

Bê tông hạt mịn không sợi

Tính chất lỗ
rỗng





-

-

6,48

0,42

0,6

0,5

1,1

3,91

0,28

0,7

Bê tông cốt sợi thép hạt mịn với sợi cắt đoạn

1,6

3…4

2,21

0,21

0,7

Bê tông cốt sợi thép hạt mịn với sợi sản xuất
tại nhà máy

0,6

2,92

2,05

0,15

0,8

Bê tông cốt sợi thép hạt mịn kết hợp giữa sợi
thép và sợi polypropylene với μ0 / n =
1,62/0,6

0,6

1,62

1,90

0,12

0,8

-

-

7,11

0,36

0,6

0,6

2,5

3,30

0,25

0,7

Bê tông cốt sợi thép hạt mịn với sợi cắt đoạn

Bê tông với cốt liệu lớn
Bê tông cót sợi cốt liệu lớn và sợi thép sản
xuất từ nhà máy

Bảng 3.2 Đặc trưng liên kết của sợi với đá xi măng

Diễn giải
Loại sợi

min,

Rкз,
МPа

Rфц,
МPа

, МPа

%

Rнг,
МPа

Sợi thép được cắt bằng máy

0,5

3,0

4,2

4,25

1,7

Sợi thép cắt bằng máy và sợi
polypropylen

0,4

3,0

4,2

4,60

2,1


Bảng 3.3 Tính chất của bê tông cốt sợi trong điều kiện nóng ẩm
Cường độ, МPа
Rk

Rn

Chiều sâu
thấm cácbon,
mm

Bê tông hạt mịn không sợi

6,3

35,2

4,3

W8

Bê tông cốt sợi thép ( = 1,6 % thể tích.)

12,2

43,2

2,3

W16

Bê tông cốt sợi, Sợi thép (μ=1,6 % thể tích) và
sợi polypropylen (μ=0,4 % thể tích)

14,6

47,1

1,9

W18

Loại bê tông

Mác
chống
thấm

Hình 3.1 Sự phụ thuộc cường độ
chịu kéo vào tỷ lệ của sợi trong hỗn
hợp đá xi măng

3.3. Nhận xét:
Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tính ưu việt của loại vật liệu có cốt (sợi thép và sợi


polypropylen). Khi sử dụng loại vật liệu này thì độ chống thấm của bê tông tăng lên, khă
năng chịu kéo, uốn, nén và va đập cũng tăng, quá trình thấm cácbon giảm đi đáng kể, sẽ
ức chế quá trình ăn mòn trong bê tông.
Đây là giải pháp đề xuất, đã được nghiên cứu trong môi trường nước ngọt và điều
kiện khí hậu Việt Nam. Nên để có kết quả chính xác và cụ thể thì cần thêm các nghiên
cứu ứng dụng và thực nghiệm mẫu tại các vùng biển để có sự so sánh.
IV. KẾT LUẬN

Có thể thấy tại vùng biển Việt Nam, tác động xâm thực do môi trường là rất mạnh dẫn
đến ăn mòn và phá huỷ công trình. Mức độ ăn mòn phụ thuộc vào vị trí và điều kiện làm
việc của công trình. Với đặc thù khí hậu nóng, ẩm, mưa bão nhiều thì tốc độ và mức độ bị
ăn mòn của công trình bê tông và BTCT sẽ nhanh hơn, tuổi thọ công trình sẽ giảm đi
đáng kể. Vì việc tìm ra các biện pháp phòng ngừa chống ăn mòn và các giải pháp kỹ thuật
nâng cao khả năng làm việc, bảo đảm chất lượng và tuổi thọ lâu dài cho công trình là một
vấn đề hết sức quan trọng, có ý nghĩa to lớn với nền kinh tế Việt Nam.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Cao Duy Tiến, Phạm Văn Khoan, Lê Quang Hùng và ctv, “Báo cáo tổng kết dự án
KT - KT chống ăn mòn và bảo vệ các công trình bê tông và BTCT vùng biển”, Viện
KHCN Xây dựng, 11/2003.
[2]. Trương Hoài Chính, Huỳnh Quyền, Trần Văn Quang, Nguyễn Phan; “Tổng hợp,
phân tích, đánh giá và dự báo hiện trạng ăn mòn xâm thực các công trình xây dựng DD
& CN vùng ven biển Đà Nẵng”- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp thành phố Đà Nẵng,
11/2007.
[3]. ДОНГ КИМ ХАНЬ, “Использование фибробетона при восстановлении
гидротехнических сооружений Вьетнама”; Вестник гражданских инженеров. –
2008. – №4 (17).– С. 67 – 68.
[4]. ДОНГ КИМ ХАНЬ, “Фибробетон для ремонтных работ на поверхности
гидротехнических сооружений во Вьетнаме”, Автореф.. дис канд. техн. Наук,
СПбГАСУ, СПб, 2009 – 20 с.

Abstract
CORROSION OF REINFORCED CONCRETE AND THE METHOD
TO AVOID CORROSION FOR REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
IN VIETNAM’S SEA
Corrosion of reinforced steel is a widespread construction problem in the coastal
areas. This article summarizes the causes and status of the abrasion of reinforcement in
reinforced concrete structure under sea. Base on the results, this article propose some
maintain methods to increase the durability of reinforced concrete structures in
Vietnam’s sea.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×